骨科产品设计的新领域

医疗技术的进步帮助人们延长寿命、改善健康，但人体的某些部位在生命过程中会有耗损。据美国骨科医师学会 (AAOS) 报告，2008 年全美共进行膝关节置换术 47.8 万例，髋关节置换术 23.4 万例。1 AAOS 还预测，截止到 2030 年，膝关节置换术将达 340 万例，髋关节置换术至少会翻一番。而且，人工关节翻修病例仍居高不下：在美国，2004 年共进行了 4 万例膝关节翻修、4.6 万例髋关节翻修。欧盟统计数据也达到同等规模。很明显，目前价值 280 亿欧元的骨科矫形市场在未来数年内将继续保持增长。

　　本文将探讨骨科矫形外科应用中的部分人工材料并重点讨论其优缺点。此外，还将介绍骨置换技术中生物活性材料所发挥的关键作用。

人工骨科材料

　　人工材料用于骨科矫形外科已有几十年历史。例金属髋关节置换术于 1940 年进行。1951 年在该置换术中采用了 PMMA 水泥。现代陶瓷全髋关节于 1995 年投入使用。到目前为止，金属、聚合物（超高分子量聚乙烯，简称 UHMWPE）、陶瓷以及这些材料的组合都在骨科矫形外科中得到采用，而且材料开发一直在持续进行。为骨科器械的设计和开发选择佳材料一直是业界的难题，目前仍是如此——制造商正在努力开发高性能产品，同时大限度减少与材料选择相关的错误。

　　诸如不锈钢等金属是首批用于制造植入式医疗器械的材料。金属-金属 (MOM) 植入物于 20 世纪 50 年代问世，并在某些应用中一直表现良好。在过去 60 年内，越来越多的金属器械被引入到医疗应用中，但同时也存在一些性能和质量问题。有关金属矫形植入物的担忧包括金属颗粒释入血流中，而这可能会影响肾功能。这些颗粒还可能在妊娠期穿过胎盘，而有些金属颗粒（主要是钴铬合金）可致癌。一个值得思考的问题是：为什么经过 60 年的开发，我们仍没有获得更佳甚或完美的植入式器械？

骨骼 一种活体材料

　　所有这一切都可以归结为有关植入材料的生物相容性以及更的生物活性概念。材料或其产生的碎片是否与人体相容？它是否在原子、纳米或微米级具有真正的抗腐蚀性？其强度为多少？其弹性模量为多少？重要的是，我们是否已经掌握了有关人体天然生物材料的某些重要知识？我们有没有认识到人体的所有组成部分（包括骨骼在内）都是活体材料？在探讨非金属骨置换材料之前，让我们了解一下有关天然骨骼的一些基本知识。
　
　　以长骨为例，骨骼共有三个基本结构层：表面是关节软骨，接下来是贴近表面的密质骨，后是松质骨。当然，人工骨科矫形器械的组成结构无法与天然骨骼的微观结构相比，因为骨骼是一种活体材料。骨细胞通过再吸收和沉积进行愈合过程。由于健康的骨骼在使用过程中会受到损耗，因此会逐渐形成纳米级或微裂缝，使得骨骼弱化。骨骼以对其他修复工作相同的方式对这种弱化做出反应。在发生再吸收时，会派遣破骨细胞攻击弱骨，并在多种全身激素的帮助下，将衰弱的骨骼溶解，而胶原蛋白和矿物相则被再吸收。骨粒被人体作为钙元素吸收，留下基本上被破骨细胞开凿出的细微区域。随后，破骨细胞到达现场并沿损伤部位进行收集工作。破骨细胞用新骨填充受损区域。新骨吸收全身钙，成为健康的骨组织。

关节软骨

　　关节软骨是一种生物材料，在人工髋关节和膝关节的设计与开发工作中并未引起足够重视。骨关节表面覆盖有一层强韧、光滑的关节软骨。在大多数关节中，这层软骨约有 5 毫米厚，能使关节表面相互滑动而不造成损伤。这种材料本身必须足够强韧，以便能承受人体某部分的负荷并将其转移到其他部分。关节软骨还起到减震器的作用，能减轻应力集中以大限度地减少软骨下骨承受的峰值压力。关节软骨的主要成分如图 1 所示。

　　关节软骨主要的单一组分为组织间液，根据软骨的来源和完整性，这种物质高可占到软骨总重的 80%。胶原蛋白占软骨总重的比例为 12% 到 24%，而软骨细胞大约仅占总体积的 1%。蛋白多糖单体约占软骨重量的 6% 到 12%。

　　关节软骨是一种多孔材料。结构十分简单，仅包括相互连接形成网状结构的胶原纤维。图 1 显示了这种网状结构的模型。尽管胶原蛋白只占关节软骨的一小部分，但它能将动力强度传递给整个结构。如果没有其他组织成分与胶原纤维联合协同作用，这种简单结构一旦受到负荷即会垮塌。与金属相比，胶原纤维既不坚硬，也不耐久。但是，我们尚未找到一种具有关节软骨的活性和有效性的人工材料。一部分原因是材料开发工作本身困难重重，但更深层的原因是，100 多年来，我们对健康人体内软骨的工作原理认识不足。由于它是一种活体材料，因此了解其再生机制和生物过程对开发生物活性材料非常关键。

聚乙烯

　　聚乙烯 (PE) 由英国骨科矫形外科医生 John Charnley 爵士在 20 世纪 60 年代末引入骨科领域。PE 拥有简单的聚合结构，由沿聚合物长链不断重复的 CH2 单元组成。全关节组件中使用的医用级 PE 分子量从每摩尔 400 万克到 600 万克不等；这种材料被称为超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)。UHMWPE 是一种非常坚固而且柔韧的材料。图 2 显示了全髋关节置换的组件，其中 PE 用作内衬。理论上，PE 内衬应该能像或至少能部分像关节软骨一样发挥作用，让关节处的硬金属表面相互滑动而不造成损伤（假设 PE 提供优异的力学性能）。不幸的是，这种材料并没有达到预期。普通 UHMWPE 并不是理想的材料，尤其在长期的性能表现方面。根据对 MOM 植入物的观察，PE 由于其磨损率高于 MOM，因此还会产生颗粒（见图 3）。PE 还可能发生疲劳断裂，尤其是当接触高能照射而产生交联 UHMWPE 时。2 高能照射对聚合物的化学、物理学和力学属性的影响十分复杂。本文作者曾使用模型聚合物（聚丙烯）进行相关研究，得出了在不同伽马照射剂量条件下从延展性到脆性的力学性质的变化范围。3 4

陶瓷

　　近 25 年来骨科矫形外科应用材料取得的大突破就是髋关节置换中的陶瓷材料。相对于金属和聚合物而言，陶瓷具有很多优势。它在所有材料中化学和生物学惰性好。它的强度和硬度也很大。因此，陶瓷对偶尔沉积在人工关节表面之间的细小颗粒（如骨接合剂或金属碎片）有抗刮擦性。迄今为止，几乎所有报告结果均证实，相比金属或 PE，陶瓷产生的磨损率低，颗粒 5–13。虽然报告的数据存在差异，但总体趋势和结论很有说服力。图 3 比较了不同材料的线性磨损率，这些材料由 CeramTec 编辑和发布。金属对 PE（图中的 Me/PE）磨损率高，而陶瓷对陶瓷 (Ce/Ce) 磨损率低。

　　医用级陶瓷的主要缺点在于易碎。与金属和聚合物不同，陶瓷材料在应力作用下不会变形，但当作用在医用级陶瓷材料上的应力超过特定限值时，陶瓷将会爆裂。过去观察到的全髋关节中陶瓷组件的爆裂性断裂是由于当时陶瓷材料质量欠佳所致。但即使是当今的医用级陶瓷，仍然易碎。因此，开发增韧陶瓷不仅是当务之急，也是未来的工作重点。微断裂力学未来发展以及微型陶瓷和纳米陶瓷复合材料的设计将为医疗应用带来更先进的陶瓷材料。图 4 显示了 Ceram 开发的氧化锆（光相）增韧氧化铝（暗相）的微观结构。这种陶瓷复合材料实现了高达 7.2 MPa m1/2 的断裂韧度，这是迄今为止得到的高断裂韧度结果。

骨科矫形器械开发和设计的材料选择

　　在骨科矫形外科应用中采用陶瓷的益处包括：
•与聚合物或金属合金相比磨损率低，因此寿命更长。
•具有生物惰性，因此人体对颗粒无反应。
•如果材料旨在刺激新骨的生长，则具有生物活性属性。

　　陶瓷可与聚合物等其他材料相混合以形成杂化复合材料。图 5 显示了陶瓷杂化材料的一个示例。这种陶瓷复合材料由泡沫陶瓷（光相）和 Ceram 开发的聚合物混合物（暗相）组成。这种杂化材料结合了陶瓷的生物活性和增韧聚合物的柔性。可以将多种形式的陶瓷杂化复合材料制成不同的微观结构，用于各种应用，包括但不限于脊柱融合、缝合锚钉、创伤固定螺钉、股骨植体、牙种植体以及部分和全部关节置换。所有这些都遵循设计和开发的基本原理：特定植入装置采用特定材料。这里再强调一次，在项目启动时以及设计控制之前，评估和选择材料是成功的关键。

生物活性材料的未来

　　那么，骨科矫形外科应用的材料未来会有何变化？很明显，开发新的生物活性材料将是一个基本要求，而这对材料专家来说将是一个挑战。骨科矫形医疗器械必须在设计时充分考虑生物活性。

　　另一项挑战则是开发新型人工关节软骨。这种材料不仅要具有生物活性，还必须能在膝部承受 6.5 倍人体重量的负荷，并且充当关节处的润滑层。根据图 1，新型材料的设计和开发必须允许加入大量组织间液，一些软骨细胞、蛋白多糖等，以便保持足够的强度和活性。